雷 宇，余正杰，焦新程，王云琦，井 喬

(中國石油東方地球物理公司西安物探裝備分公司 陜西 西安 710077)

0 引 言

自現(xiàn)代石油工業(yè)誕生以來，地震勘探技術(shù)是解決油氣勘探問題最有效的方法。地震檢波器作為把地震波轉(zhuǎn)換成電信號的機電裝置，被廣泛應(yīng)用在地震勘探中。目前被大量使用的是動圈式模擬地震檢波器，在其制造過程中存在芯體極性反接的情況，而檢波器反極性會影響整體的輸出幅值，從而不能反映真實的振動波。檢波器的極性測試便成為了檢波器工業(yè)生產(chǎn)過程中及出廠前的重要檢測環(huán)節(jié)。

常規(guī)測試極性的方法一是使用SMT-200等檢波器測試儀，檢測儀采購成本較高、發(fā)生故障維修困難，在測試時需要采用人工敲擊等方式手動激發(fā)振動；而另外一種低成本測試方法就是使用微安表，搖動或敲擊檢波器來激發(fā)振動，通過觀察指針的初次偏轉(zhuǎn)方向來進行判斷，在實際測試時,指針會反復(fù)擺動而無法準確判讀初次偏轉(zhuǎn)方向，造成判斷失誤。本文針對動圈式檢波器芯體極性測試提出一種簡易、低成本、準確性高且易于實現(xiàn)的方法。

1 總體設(shè)計

動圈式檢波器芯體內(nèi)部存在彈簧片、線圈、磁鋼等部件，當動圈式檢波器芯體在接收到外部機械振動信號后，芯體內(nèi)部的線圈由于慣性會與磁系統(tǒng)做相對運動而切割磁力線，線圈產(chǎn)生電壓信號。而當極性反接時，輸出電壓信號的相位會發(fā)生180°的變化，即第一個脈沖信號由正電壓變換為負電壓。本方法便是通過檢測第一個脈沖信號的正負電壓來實現(xiàn)對檢波器芯體極性進行判斷[1]。

本方法采用氣缸作為使檢波器芯體產(chǎn)生振動的外部激勵源，使用單片機來控制氣動電磁閥的通斷，從而可由單片機內(nèi)部中斷定時器來實現(xiàn)自動化激勵，無需手動操作。檢波器做切割磁力線運動產(chǎn)生電壓信號，經(jīng)過前置濾波、信號調(diào)理后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入單片機進行處理[2]?？傮w設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計框圖

2 電路設(shè)計

本方法中采用單片機MSP430F249作為控制單元(MCU)，該芯片配置有兩個內(nèi)置 16 位定時器、1個快速 12 位模數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)換器、1個比較器、4個通用串行通信接口 (USCI) 模塊、和高達 48 個 I/O 引腳。通過它完成驅(qū)動AD芯片采集數(shù)據(jù)，驅(qū)動電磁閥控制氣缸產(chǎn)生外部激勵信號以及進行數(shù)據(jù)處理判斷檢波器極性是否正確等功能[3]。以下是各功能模塊的具體設(shè)計。

2.1 電磁閥驅(qū)動模塊

為了便于全電路的統(tǒng)一供電設(shè)計，本方法采用直流12 V氣動電磁閥來啟停氣缸。

采用三極管作為開關(guān)管來進行驅(qū)動，電路設(shè)計如圖2所示。

圖2 電磁閥驅(qū)動電路設(shè)計圖

當P20輸出高電平時，三極管導(dǎo)通電磁閥負端電壓為0,電磁閥正端連接+12 V電源，此時氣缸開始工作，產(chǎn)生外部激勵信號。當P20輸出低電平時，三極管處于截止狀態(tài)，電磁閥正端與負端電壓都為+12 V，電壓差為0,電磁閥斷開，氣缸不工作。

為了實現(xiàn)自動產(chǎn)生外部激勵信號，采用MSP430F249單片機內(nèi)部中斷定時器TA，實現(xiàn)每間隔4 s產(chǎn)生一次外部激勵信號。

2.2 信號濾波放大模塊

由于外部激勵信號較小，檢波器芯體振動產(chǎn)生的電壓信號較小，為了方便單片機進行檢測，提高測試的準確性，首先需要對其進行濾波放大，減少外部干擾信號，提高系統(tǒng)整體信噪比。LT6023是一款低功耗、增強壓擺率的精準運算放大器，本方法采用運算放大器LT6023實現(xiàn)有源低通濾波放大電路。該放大器的專有電路拓撲可在低靜態(tài)功率耗散條件下提供出色的壓擺率，并且不會犧牲精度或穩(wěn)定時間指標。此外，專有的輸入級電路還允許在輸入電壓階躍高達5 V的情況下保持很高的輸入阻抗[4]。前置濾波放大電路圖如圖3所示。

圖3 前置濾波放大電路圖

(1)

截止頻率計算：

(2)

使用TINA軟件對其交流特性進行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，該電路實現(xiàn)了增益為20 dB、截止頻率為100 Hz的低通濾波功能，與計算結(jié)果相同，滿足使用需求。

圖4 前置濾波放大電路仿真結(jié)果圖

2.3 差分運放信號調(diào)理模塊

經(jīng)過前置濾波放大電路后，檢波器芯體輸出信號為-5～+5 V信號，本方法中采用AD7468模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，其模擬輸入范圍為0～3.3 V。

AD7468采用3.3 V電源供電，采集數(shù)據(jù)范圍為0～3.3 V，因此需要將檢波器芯體輸出信號調(diào)理為0～3.3 V，采用差分運放INA132實現(xiàn)。差分運放信號調(diào)理電路如圖5所示。圖5中，OUTA為經(jīng)過前置濾波放大后的檢波器輸出信號，通過二極管IN4004后，利用二極管單向?qū)ㄌ匦?，信號范圍?0.7 V～5 V。經(jīng)過INA132后其輸出信號在輸出端并聯(lián)兩個二極管，保證輸出信號的取值范圍為0～1.4 V，送到AD芯片進行采集[5]。

圖5 差分運放信號調(diào)理電路圖

使用TINA軟件對硬件電路進行仿真，當輸入信號起始相位為0°時，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 初始相位為0°信號調(diào)理仿真圖

當輸入信號初始相位為180°時，模擬檢波器極性接反，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 初始相位為180°信號調(diào)理仿真圖

當檢波器芯體沒有電壓信號產(chǎn)生時，INA132輸出為0.7 V直流信號。

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

本方法中采用 AD7468作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它是8位高速、低功耗、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，工作電壓為1.6 V至3.6 V單電源，轉(zhuǎn)換過程和數(shù)據(jù)采集過程通過CS和串行時鐘進行控制，從而為器件與微處理器或DSP接口創(chuàng)造了條件。輸入信號在CS的下降沿進行采樣?；鶞孰妷簭墓╇婋妷韩@得，從而為ADC提供了最寬的動態(tài)輸入范圍[6]。

使用單片機MSP430F249驅(qū)動AD7468芯片，電路設(shè)計圖如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)采集模塊電路設(shè)計圖

3 軟件設(shè)計

本方法的軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理兩大功能。

實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能需分別用單片機P10、P11、P12三個IO口驅(qū)動AD7468 /CS、SDATA 、SCLK三個管腳。當CS為低電平，SDATA數(shù)據(jù)可以在SCLK時鐘的下降沿讀出，一共12位數(shù)據(jù)，前4位為無效數(shù)據(jù)，輸出為0，后8位為有效數(shù)據(jù)，從最高位開始傳輸。

數(shù)據(jù)采集程序如下：

#define AD_CS P1OUT&=～BIT0

#define AD_CS_H P1OUT|=BIT0

#define AD_SCLK_L P1OUT&=～BIT2

#define AD_SCLK_H P1OUT|=BIT2

P1SEL=0X00; //定義P1為通用IO口

P1DIR=0X05;//定義P1口輸入輸出方向

AD_CS;//AD7468片選信號為低電平

for(int i=0;i<12;i++)

{

AD_SCLK_H;

AD_SCLK_L;

if(P1IN&BIT1)t|=0x01;

else if (P1IN&BIT1==0)t=0x00;

t<<=1;

} //讀取一次數(shù)據(jù)，保存在變量t中；

根據(jù)計算出的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理功能的流程設(shè)計如圖9所示。

圖9 極性判斷流程圖

在實際測試中，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)為54，由于采集存在一定的誤差，0.7 V數(shù)據(jù)采集范圍可以設(shè)定為34～74，通過對超出這個范圍后的第一個數(shù)據(jù)進行判斷，來實現(xiàn)檢波器極性的檢測[1]。

4 效果展示

將檢波器固定在氣缸上，通過硬件電路控制氣缸每4 s震動一次，在震動過程中對檢波器極性進行判斷，極性正確時通過LED發(fā)光二極管對操作人員進行提示，極性接反時通過蜂鳴器響聲對操作人員進行提示。

首先固定一個極性正確的檢波器在氣缸上進行一個小時的連續(xù)測試，LED發(fā)光二極管顯示正常，測試數(shù)據(jù)準確率為100%。然后固定一個極性接反的檢波器在氣缸上進行一個小時的連續(xù)測試，每次測試蜂鳴器都會通過響聲提示操作人員極性接反，測試數(shù)據(jù)準確性為100%。本測試方法的測試結(jié)果準確直觀，有效避免了微安表的不易觀測和誤判問題，同時成本比現(xiàn)有測試儀低，電路設(shè)計簡單也便于后期維護。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于動圈式檢波器芯體極性的智能測試方法，通過單片機控制氣缸振動作為檢波器的外部激勵源，同時單片機檢測檢波器芯體的第一個脈沖信號的正負電壓，實現(xiàn)了對檢波器芯體極性判斷。該測試方法程序較為簡單，開發(fā)周期短，具有易于實現(xiàn)、成本低、準確性高的優(yōu)點，可以代替SMT-200及微安表的檢波器極性測試方法，自動化激勵降低了勞動強度，能有效避免檢波器芯體極性測試因受到人為因素干擾而造成判斷失誤，提高了產(chǎn)品的合格率，是搭建檢波器自動化生產(chǎn)線的重要組成部分。本文中提到的相位算法也可以通過FFT(快速傅里葉變換)計算，但是這種算法使用單片機的話計算數(shù)據(jù)量較大，影響檢測效率，且程序較為復(fù)雜，開發(fā)周期長。